NO x - und NO 2 -Emissionen von aktuellen und zukünftigen Kraftfahrzeugen

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1 P e/p ra _ /h (g[ _ rate nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NO x - und NO 2 -Emissionen von aktuellen und zukünftigen Kraftfahrzeugen Fachtagung: Herausforderung NO2-mmissionen Gesetzgebung, Luftbelastung, Lösungen 3./4. März Heidelberg a.o.univ.-prof. Dr. Stefan Hausberger Dr. Martin Rexeis D.. Michael Zallinger PHEM Passenger car and Heavy duty Emission Model Driving resistances & transmission losses Transient engine engine maps maps ]r e wopd te Wk/) x ON Gearshift model d n _norm Transient correction functions Engine load, Fuel consumption, Emissions Cold start module Thermal behaviour of engine & catalysts SCR - module 1

2 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NHALT Einleitung Datengrundlagen Emissionen in Typprüfung und in real world * PKW * Schwere Nutzfahrzeuge Was können wir von EURO 6 erwarten? Temperaturproblem bei Diesel-Abgasnachbehandlung am Beispiel Nachrüst-SCR Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 2

3 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NO 2 ist auch in Österreich ein Problem n Straßennähe kaum fallende NO 2 -Konzentrationen. Zulässiger Wert (Grenzwert + Toleranzmarge) nimmt aber ab. 3

4 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Einleitung Handbuch Emissionsfaktoren Straßenverkehr (HBEFA): Emissionsfaktoren für PKW, LNF, SNF, 2-Räder Für 15 Verkehrssituationen mit jeweils verschiedenen T-Limits, 4 Verkehrsstärken und 7 Steigungsklassen EURO 0 bis EURO 6; Otto und Diesel Kooperation DE, AT, CH, NL, SE, GR, FR, EU Emissionsfaktoren PKW, LNF und SNF von TU Graz Version 3.1 seit Jänner 2010 verfügbar Arbeiten seit 2007: Sammeln & Analysieren von Messdaten, Definition von Verkehrszuständen und realen Fahrzyklen, Simulation von Emissionsfaktoren n V 3.1 erstmals NO 2 und Partikelanzahl enthalten 4

5 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Datengrundlagen Grundlage für das Update des HBEFA (V3.1) sind Messdaten aus der ARTEMS 300 Messdatenbank: 118 schweren Nutzfahrzeugen (EURO 0 bis EURO V) 3000 PKW und LNF (davon ca auch in real world Zyklen) NO 2 wurde allerdings nur für Kfz ab EURO 3 weitgehend durchgängig gemessen. Für PKW und LNF standen nur wenige Messungen an EURO 5 zur Verfügung, generell keine für EURO 6. -> PKW EURO 5 Messdaten eventuell nicht repräsentativ für Flotte, EURO 6 ist reine Technologieabschätzung. 5

6 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik -> Emissionsfaktoren mit PHEM aus allen Datenquellen Microscale Emission model PHEM Driving resistances & transmission Emission Map losses HEV Module NOx[(g/h)/kW_ratedpower] Pe/P_rated n_norm 1.0 Gear shift model SCR Module Motortests Rollenprüfstand Manuell (z.b. zukünftige Technologien) Subroutines Engine load, FC, emissions Transient Correction Cold start tool Emissionen bzw. Emissionsfaktoren (HBEFA, COPERT, VERST+) PEMS On-Board 6

7 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Typprüfzyklus PKW im Vergleich zu realem Fahren (CADC) NEDC Real Real World km/h Time [s] CADC (Common ARTEMS Driving Cycle) 7

8 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Motorbelastung im NEDC und CADC Normalized engine power (1 = rated power) CADC urban CADC road CADC Motorway NEDC Relevanter aber nicht erfasster Kennfeldbereich 77kW Nennleistung Golf Klasse Normalised engine speed (0=idling, 1 = rated speed) 8

9 NOx [g/km] nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NOx [g/km] NOx [g/km] EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU NO Otto NEDC NO NO2 NO NO x Messergebnisse bei PKW Diesel NEDC NOx [g/km] 1.6 NO NO 1.4 NO2 NO EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 Einleitung Daten Real world 1.7 Diesel CADC (Warmstart) als 1/3-Mix Urban, Road, MW Nur 4 PKW EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 Otto CADC (Warmstart) EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 EURO 6 Temperaturprobleme Zusammenfassung 9

10 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Real world Verkehrszustände bei SNF Beispiel: NOx, Sattelzug, 40t max. zul Gesamtgewicht, 50% beladen Emissionsfaktor [g/km] Euro Euro V - EGR Euro V - EGR (prog.) Euro V - SCR Euro V - SCR Diesel PKW EU Zyklusdurchschnittsgeschwindigkeit [km/h]

11 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik NO 2 -Anteile bei SNF Euro und älter 7% Euro V / EGR 21% nkl. PM-Kat Euro V / SCR 7% Euro V / EGR 21% nkl. PM-Kat Euro V / SCR 7% Euro V 0% 5% 10% 15% 20% 25% NO2 / NOx 11

12 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik 120% 100% Motorbelastung im ESC und ETC full-load WHTC A B C ETC ESC ESC control range Normierte Leistung 80% 60% 40% 20% 0% Relevant aber kaum erfasst 0% 20% 40% 60% 80% 100% Normierte Drehzahl Volllast Ab 2013 EURO V Testzyklus (WHTC, WHSC): mit Niederlast und Kaltstart dafür kaum Zeitanteile bei hohen Drehzahlen 12

13 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Emissionsgrenzwerte für NOx in der EU im Vergleich PKW für Golf-Klasse umgerechnet von g/km auf g/kwh NOx PKW NOx SNF g/kwh EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 Bei SNF Wechsel von ECE R49 ESC ESC+ETC WHTC 13

14 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Zentrale Technologien zur Emissionssenkung Wirkungen auf NO x und NO 2 AGR: NO x sinkt, %NO 2 steigt Vorkat: % NO 2 steigt DPF: % NO 2 steigt oder sinkt SCR: NO x sinkt, % NO 2 sinkt Speicherkat: NO x sinkt Kritisch: Bei t Abgas < 200 C ist NOx-Nachbehandlung wenig wirksam. Bei hohen Lasten bei schlechten Typprüfzyklen eventuell auch. Reales Verhalten von EURO 6 derzeit kaum einzuschätzen. 14

15 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Was können wir von zukünftigen Technologien erwarten? CUT-SCR-Nachrüstsystem im ETC und am Bus im Linienbetrieb: Temperaturen CUT.. nnovative Clean Urban Transport, Leitprojekt im A3-Programm des BMVT Abgastemperatur vor SCR Abgastemperatur nach SCR Abgastemperatur_vor_Kat [ C] Abgastemperatur_nach_Kat [ C] v_ist Abgastemperatur[ C] T-Mittel vor Kat ~ 290 C Temperatur [ C], Geschw. [km/h] T-Mittel vor Kat ~ 218 C Zeit im ETC [Sek.] Zeit [s] 15

16 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Was können wir von zukünftigen Technologien erwarten? CUT-SCR-Nachrüstsystem im ETC und am Bus im Linienbetrieb: NOx-Konvertierung NOx Minderung durch SCR [%] 80% 71% 70% 60% 50% 40% 36% 28% 30% 20% 10% 0% Motortest ETC GVB Linienbus Fahrt 1 GVB Linienbus Fahrt 2 Effizienz der SCR-Nachrüstsysteme hängt stark von Abgastemperatur und damit vom Geschwindigkeitsprofil ab. ETC Test ist für Stadtbussysteme Unfug! 16

17 NOx [g/km] nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Was wir im HBEFA für EURO 6 angenommen haben NO NO2 PKW-Diesel EU 0 EU 1 EU 2 EU 3 EU 4 EU 5 EU 6 EUV/EUV: -90% (Grenzwert -80%) 28% NO 2 /NO x (EU V: 7%) Wegen neuem Typprüfzyklus mit Kaltstart ua. eher sicher NOx [g/km] EU6/EU4: -65% (Grenzwert -68%) 30% NO 2 /NO x (EU4: 45%) Erfolg ohne Maßnahmen am Typprüfzyklus aber sehr unsicher SNF-Diesel NO x Euro Euro V - EGR Euro V - SCR Euro V - EGR (prog.) Euro V - SCR Euro V (prog.) truck & trailer combination, 34-40t GVW, 50% loading Zyklusdurchschnittsgeschwindigkeit [km/h] 17

18 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Zusammenfassung und Schlussfolgerungen: PKW NO x sind bei PKW mit Dieselmotoren seit EURO 0 im realen Fahrbetrieb kaum gesunken (dafür CO 2, PM, HC, CO) Diesel-PKW haben im heute realen Betrieb mehr als 10 x höhere NO x als Benzin-PKW Abgasrückführung (AGR) als wichtige NO x -mindernde Maßnahme bei Diesel ist in dynamischeren und hochlastigeren Zyklen wenig aktiv, da Typprüfzyklus (NEDC) dies nicht verlangt. DPF und DOC heben NO 2 -Anteil im Abgas seit EURO 3 deutlich an Spezielle Abgasnachbehandlung für NO x ist bei Diesel-PKW derzeit kaum angewandt (einige NO x -Speicherkat), wird mit EU6 aber kommen Typprüfzyklus sollte an reales Fahren angepasst werden (EU7?) Alternativ müsste für zukünftige Abgasnachbehandlung (EU 6/7) vorgeschrieben werden, dass zumindest die Abgasnachbehandlung bis Volllast und Nenndrehzahl aktiv ist. 18

19 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Zusammenfassung und Schlussfolgerungen: SNF Bei SNF sinken die NO x -Emissionen seit EURO. Bei niederen Motorlasten sind die Minderungen aber gering (Stadtbusse etc.!) Typprüfzyklen bis EURO V sind vorwiegend für Autobahnfahrt repräsentativ (viele SNF-km) aber kaum für Stadtfahrten Neuer Typprüfzyklus (WHTC) ab EURO V berücksichtigt Kaltstart und niedere Lasten viel besser. EURO V sollte daher deutliche NO x -Reduktionen bewirken, braucht aber noch Anstrengungen für Abgastemperaturmanagement EURO V Stadtfahrzeuge (Busse, Müllfahrzeuge) können, müssen aber im Stadtverkehr nicht sauber sein. Typprüfung für Nachrüst-SCR und DPF sollte unbedingt reale Stadtfahrten abbilden. Nachrüstung für Busse in ETC bewerten ist Unfug. Ggf. vor Kaufentscheidung Messungen in realen Zyklen durchführen. Für EURO V scheint bezüglich Schadstoffen alles klar. CO 2 bleibt. Einleitung Daten Real world EURO 6 Temperaturprobleme Zusammenfassung 19

20 nstitut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik Danke für hre Aufmerksamkeit! Rollenprüfstand für Schwere Nutzfahrzeuge der TU-Graz 20